高中化學教學中守恒法的有效應用

摘 要：守恒法是一種分析問題的重要方法.高中化學教學中注重守恒法的有效應用，不僅有助于學習者更好地把握化學反應的本質規律，而且能提高其分析化學問題的效率.高中化學教學結合具體教學內容，做好相關守恒法知識講解，展示守恒法的具體應用過程，給學生帶來學習以及解題上的良好啟發.

關鍵詞：守恒法；應用；高中化學

中圖分類號：G632?? 文獻標識碼：A?? 文章編號：1008-0333（2023）06-0128-03

高中化學中守恒法的應用主要體現在電子守恒、電荷守恒、物料守恒、質子守恒以及能量守恒上.1 電子守恒的應用

電子守恒是氧化還原反應遵循的重要規律.高中化學教學活動中應注重電子守恒在氧化還原反應問題中的運用，使學習者體會運用電子守恒解題的便利，養成運用電子守恒分析問題的意識與習慣.

例1 將7.6g鐵銅合金放入到100mL某濃度的稀硝酸溶液中，合金完全溶解后，共收集到標準狀況下NO氣體2.24L.同時測得溶液中H+的濃度為0.5mol/L.忽略反應前后溶液體積變化，則以下說法錯誤的是（? ）.

A.上述反應中金屬共失去電子0.3mol

B.合金中銅的質量為4.8g

C.原硝酸的濃度c（HNO3）=3mol/L

D.要將溶液中的金屬離子沉淀完全則需加70mL 5mol/L的NaOH溶液.

稀硝酸一部分表現為酸性，一部分表現為氧化性.表現氧化性的稀硝酸從金屬中奪取電子，使得N的化合價由+5價降低至+2價.n（NO）=2.24L/22.4L/mol=0.1mol，N得到的電子數為0.3mol.設合金中鐵、銅物質的量分別為x、y，由電子守恒可知3x+2y=0.3mol，又有56x+64y=7.6g，解得x=0.05，y=0.075，對應銅的質量為64y=4.8g.溶液中H+的濃度為0.5mol/L，表明剩余硝酸的物質的量為0.05mol.由N守恒可得：n（HNO3）=（0.05+0.1+0.05×3+0.075×2）mol=0.45mol，則c（HNO3）=0.45mol/0.1L=4.5mol/L.金屬離子完全沉淀需要先中和剩余的HNO3，并根據Cu（OH）2和Fe（OH）3進行分析.需要消耗NaOH的物質的量為（0.05+0.05×3+0.075×2）mol=0.35mol，則所需5mol/L的NaOH溶液的體積為0.35mol/5mol/L=70mL.綜上分析只有C項錯誤.

2 電荷守恒的應用

電荷守恒指電解質溶液中陰離子和陽離子所帶電荷的總數是相等的，溶液對外不顯電性.

例2 已知某溶液中可能含有Fe3+、Fe2+、NH+4、H+、Cl-、SO42-、S2-、HCO-3中的幾種，取100mL樣品，測得c（H+）=0.7mol/L，而后按照圖1所示進行實驗，其中X、Y為無色氣體，氣體均在標準狀況下測得.根據實驗操作與現象，則以下得出的結論不正確的是（? ）.

A.一定不存在的離子有S2-、HCO-3

B.原100mL溶液中c（Cl-）=0.9mol/L

C.原100mL溶液中c（Fe3+）=0.3mol/L

D.生成氣體X的離子方程式為

3Fe2++NO-3+4H+3Fe3++NO↑+2H2O

溶液中存在H+，首先排除和該離子反應的S-2、HCO-3.溶液中加入Ba（NO3）2，有氣體和沉淀產生，其中氣體為NO，物質的量為0.224L/22.4L/mol=0.01mol，溶液A為HNO3.沉淀C為BaSO4，物質的量為13.98g/233g/mol=0.06mol.溶液B加入過量NaOH加熱生成的氣體Y為NH3，物質的量為0.336L/22.4L/mol=0.015mol，生成的沉淀D為Fe（OH）3，物質的量為6.42g/107g/mol=0.06mol.生成氣體X的離子方程式為3Fe2++NO-3+4H+3Fe3++NO↑+2H2O，則對應原溶液中含有0.03mol Fe2+和0.03mol Fe3+，c（Fe3+）=0.03mol/0.1L=0.3mol/L.溶液中離子所帶的負電荷為0.06×2=0.12mol，離子所帶的正電荷為0.07mol+0.03mol×2+0.03mol×3+0.015mol=0.235mol，由電荷守恒可知，溶液中還應含有0.115mol負電荷才能保證溶液為電中性，即，對應n（Cl-）=0.115mol，c=（Cl-）=0.115mol/0.1L=1.15mol/L.綜上分析只有B項錯誤.

3 物料守恒的應用

物料守恒實際上是質量守恒的微觀體現，指某一元素的原子在化學反應前后不會發生改變.該守恒常用于化學計算以及電解質溶液中離子濃度的大小比較中，計算時可不用考慮反應的過程，只需考慮原子的來源以及去向便可構建對應的等量關系.

例3 常溫下，向NaOH和NaAlO2的混合溶液中滴加NaHCO3溶液，測得溶液pH和生成的Al（OH）3的物質的量和加入NaHCO3溶液的體積關系如圖2所示，則以下說法錯誤的是（? ）.

A.加入的NaHCO3先和NaOH反應

B.b點、c點均存在關系：c（Na+）＞2c（CO2-3）+c（HCO-3）

C.NaHCO3溶液的物質的量濃度為0.9mol/L

D.d點對應的溶液中有：c（Na+）=2c（CO2-3）+2c（HCO-3）+2c（H2CO3）

由圖可知在V（NaHCO3）在0～8mL時無沉淀生成，則先發生NaHCO3和NaOH的反應，對應的離子方程式為：HCO-3+OH-CO2-3+H2O.當加入NaHCO3的體積超過8mL時生成沉淀Al（OH）3，對應的離子方程式為：HCO-3+AlO2-+H2OAl（OH）3↓+CO2-3，其中加入40mLNaHCO3時的沉淀達到最大.b點和c點溶液由電荷守恒c（Na+）+c（H+）=2c（CO2-3）+c（HCO-3）+c（OH-），兩點對應的溶液呈堿性，即，c（H+）＜c（OH-），則c（Na+）＞2c（CO2-3）+c（HCO-3）.由圖生成0.036mol Al（OH）3沉淀時對應消耗V（NaHCO3）=0.04L-0.008L=0.032L，消耗NaHCO3的物質的量為0.036mol，則c（NaHCO3）=0.036mol/0.032L=1.125mol/L.d點沉淀量最大，溶液中的溶質為Na2CO3，由物料守恒可知c（Na+）∶［（CO2-3）+（HCO-3）+（H2CO3）］=2∶1，則c（Na+）=2c（CO2-3）+2c（HCO-3）+2c（H2CO3）.

綜上只有C項錯誤.

4 質子守恒的應用

質子守恒是指酸失去的質子和堿得到的質子數目相同.需要注意的是質子守恒并不需要死記硬背，而是運用電荷守恒、物料守恒進行整理便可得出質子守恒等式.

例4 常溫下，H2A為一種易溶于水的二元酸，將NaOH溶液滴入到等物質的量濃度的H2A溶液中，溶液中H2A、HA-、A2-的物質的量濃度隨溶液pH的變化關系如圖3所示，則（? ）.

A.常溫下，H2A的一級電離平衡常數為Ka1=10-6.27

B.當V（NaOH溶液）∶V（H2A溶液）=1∶1時，c（H+）-c（OH-）=2c（A2-）-c（H2A）

C.當pH=6.27時，c（A2-）=c（HA-）＞c（H+）＞c（OH-）

D.當溶液呈酸性時，c（Na+）＞2c（A2-）+c（HA-）

由圖可知c（H2A）=c（HA-）時pH=3.3，則H2A的一級電離平衡常數為10-3.3.V（NaOH溶液）∶V（H2A溶液）=1∶1時，分別由物料守恒、電荷守恒推導出質子守恒，即c（H+）-c（OH-）=

c（A2-）-c（H2A）；pH=6.27時，c（A2-）=c（HA-），溶液顯酸性，則c（A2-）=c（HA-）＞c（H+）＞

c（OH-）.溶液顯酸性時，c（H+）＞c（OH-），由電荷守恒可得c（Na+）+c（H+）=2c（A2-）+c（HA-）+c（OH-），c（Na+）＜2c（A2-）+c（HA-）.綜上分析只有C項正確.

5 能量守恒的應用

能量守恒是自然界普遍的基本規律之一，體現在化學反應中主要指熱量.在分析熱量時主要運用蓋斯定律.實際上蓋斯定律是能量守恒的具體體現.

例5 已知：①2C（s）+O2（g）2CO（g），ΔH=-221kJ·mol-1l；

②

2H2（g）2×436kJ·mol-1

4H（g）

O2（g）496kJ·mol-12O（g）

4×463kJ·mol-12H2O

下列說法正確的是（? ）.

A.C（s）的燃燒熱為110.5kJ/mol

B.2H2（g）+O2（g）2H2O（g），ΔH＞0，ΔS＜0，該反應是非自發反應

C.C（s）+H2O（g）CO（g）+H2（g），ΔH=＋131.5kJ·mol-1

D.將2mol H2O（g）分解成H2（g）和O2（g）至少需要提供4×463kJ的熱量

由燃燒熱定義可知①中的產物并不穩定，A項錯誤.由②、ΔH的計算方法和能量守恒可知，2H2（g）+O2（g）2H2O（g）中ΔH=2×436kJ·mol-1+496kJ·mol-1-4×463kJ·mol-1=-484kJ·mol-1，B項錯誤.由蓋斯定律①和②對應的熱化學方程式聯立計算得到：C（s）+H2O（g）CO（g）+H2（g），ΔH=＋131.5kJ·mol-1，C項正確.由②對應的熱化學方程式可知2mol H2O（g）分解成H2（g）和O2（g）至少需要提供484kJ·mol-1的熱量，D項錯誤.綜上選擇C項.

參考文獻：

［1］ 陳善佐.高中化學解題中守恒法的運用研究［J］.數理化解題研究，2022（10）：128-130.

［2］ 仝鵬.守恒法在高中化學習題教學中的應用［J］.高中數理化，2021（24）：73.

［責任編輯：季春陽］

收稿日期：2022-11-25

作者簡介：吳超（1984.9-），女，吉林省四平人，本科，中學一級教師，從事高中化學教學研究.